生命金属動体解明のための量子生体エネルギー論

• 研究領域: 「生命金属科学」分野の創成による生体内金属動態の統合的研究
• 研究課題/領域番号: 20H05497
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 複合領域
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 重田 育照 筑波大学, 計算科学研究センター, 教授 (80376483)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 5,720千円 (直接経費: 4,400千円、間接経費: 1,320千円); 2021年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円); 2020年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円)
• キーワード: 遷移金属含有タンパク質 / 量子化学計算 / 分子動力学計算 / 電子移動反応 / プロトン移動反応 / 電子状態計算 / チトクロムc酸化酵素 / 反応解析 / 構造解析 / 理論生体金属動体解析 / 第一原理計算 / 物性解析

研究開始時の研究の概要

本研究では、従来の(化学)熱力学や電気化学を基礎とする古典的生体エネルギー論を拡張し、量子論的な理解を通した生体エネルギー論を展開する。そのため我々がこれまで開発してきたフラグメント分子軌道(FMO)法をベースに、ハイブリッドQM/QM法を新規開発する。具体的なターゲットとして、近年、時間分解X線結晶構造解析によりそのダイナミクスが解明されつつある「シトクロムc酸化酵素の酸化還元と結合したプロトン輸送」を取り扱い、化学エネルギーを膜間電位差へ変換する過程における金属動体(CuBとHemeA3)の詳細を明らかにする。

研究実績の概要

呼吸鎖終端酵素であるシトクロムc酸化酵素は（CcO）、酸素を還元すると同時にプロトンを輸送することが知られている。CcO内には電子伝達経路に金属サイトが存在し、それらがCcOの酵素活性を担っている。近年、CcOを阻害する化合物がいくつか見つかり、結晶構造解析によりHemeaとHemea3近傍のヘリックスに結合していることが判明した。我々は分子動力学（MD）計算を用いて、阻害剤の有無によりどのような構造変化が阻害過程に効いているのかを検証した。阻害剤は膜貫通ヘリックスTM2とTM3の間に結合し、TM2の角度を変化させることが明らかとなった。この変化は近接するO2チャネルに伝播し、TM2とTM6間のGlu242-Ile66距離を狭めることで、O2チャネルを塞ぐことで反応を阻害している可能性を示唆した。
シトクロムc（Cyt c）は球状のヘムタンパク質で、電子輸送系（ET）に関連するいくつかのエネルギー変換過程に関与している。Cyt cの中央のヘムは、電子輸送の過程でFe3+とFe2+の酸化状態に変換することができ、このタンパク質の重要な機能を担っている。特に、Cyt cはチトクロムc酸化酵素（CcO）に電子を供給することができる。本研究では、HDOCKを用いて距離拘束型のタンパク質-タンパク質ドッキングを行った。得られた複合体の安定性に関しては、MD計算による複合体安定性解析を行った。その後、VMD の Pathways プラグインを使用してET 経路を予測した。本研究で明らかにした新しい結合ポーズは、Cyt cのヘムFeとCcO のCuAの距離が最も短く、CcOとの結合も非常に安定していることが確認された。このように本研究では、電子移動活性型複合体（ET活性型）の新しい結合様式を提案し、MDによる安定性解析でそれを確認した。

現在までの達成度 (段落)

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] A Free-Energy Landscape Analysis of Calmodulin Obtained from an NMR Data-Utilized Multi-Scale Divide-and-Conquer Molecular Dynamics Simulation (2021)
  • 著者名/発表者名: Shimoyama Hiromitsu、Shigeta Yasuteru
  • 雑誌名: Life 巻: 11 号: 11 ページ: 1241-1241
  • DOI: 10.3390/life11111241
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Experimental and theoretical study on converting myoglobin into a stable domain-swapped dimer by utilizing a tight hydrogen bond network at the hinge region (2021)
  • 著者名/発表者名: Xie Cheng、Shimoyama Hiromitsu、Yamanaka Masaru、Nagao Satoshi、Komori Hirofumi、Shibata Naoki、Higuchi Yoshiki、Shigeta Yasuteru、Hirota Shun
  • 雑誌名: RSC Advances 巻: 11 号: 59 ページ: 37604-37611
  • DOI: 10.1039/d1ra06888a
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Structural Variations of Metallothionein with or without Zinc Ions Elucidated by All-Atom Molecular Dynamics Simulations (2021)
  • 著者名/発表者名: Morita Rikuri、Shigeta Yasuteru、Harada Ryuhei
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry B 巻: 125 号: 46 ページ: 12712-12717
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.1c07928
  • 査読あり
• [雑誌論文] Solubility and Membrane Permeability of Cyclic Dipeptides Approximately Estimated by Quantum Chemistry and Molecular Dynamics Calculations (2021)
  • 著者名/発表者名: Yanagi Koki、Mitsuta Yuki、Takaoka Kenta、Takahashi Teruyuki、Hengphasatporn Kowit、Harada Ryuhei、Shigeta Yasuteru
  • 雑誌名: Chemistry Letters 巻: 50 号: 12 ページ: 1964-1967
  • DOI: 10.1246/cl.210488
  • NAID: 130008131925
  • 査読あり
• [雑誌論文] Independent Nontargeted Parallel Cascade Selection Molecular Dynamics (Ino-PaCS-MD) to Enhance the Conformational Sampling of Proteins (2021)
  • 著者名/発表者名: Yasuda Takunori、Morita Rikuri、Shigeta Yasuteru、Harada Ryuhei
  • 雑誌名: Journal of Chemical Theory and Computation 巻: 17 号: 9 ページ: 5933-5943
  • DOI: 10.1021/acs.jctc.1c00558
  • 査読あり
• [雑誌論文] Comprehensive predictions of secondary structures for comparative analysis in different species (2021)
  • 著者名/発表者名: Morita Rikuri、Shigeta Yasuteru、Harada Ryuhei
  • 雑誌名: Journal of Structural Biology 巻: 213 号: 2 ページ: 107735-107735
  • DOI: 10.1016/j.jsb.2021.107735
  • 査読あり
• [雑誌論文] Weak O2 binding and strong H2O2 binding at the non-heme diiron center of Trypanosome Alternative Oxidase (2021)
  • 著者名/発表者名: S.Yamasaki, M.Shoji, M.Kayanuma, V.Sladek, D.K.Inaoka, Y.Matsuo, T.Shiba, L.Young, A.L.Moore, K.Kita, Y.Shigeta
  • 雑誌名: Biochimica et Biophysica Acta - Bioenergetics 巻: 1862 号: 4 ページ: 148356-9
  • DOI: 10.1016/j.bbabio.2020.148356
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The Folding of Trp-cage is Regulated by Stochastic Flip of the Side Chain of Tryptophan (2021)
  • 著者名/発表者名: Yasuda Takunori、Shigeta Yasuteru、Harada Ryuhei
  • 雑誌名: Chemistry Letters 巻: 50 号: 1 ページ: 162-165
  • DOI: 10.1246/cl.200699
  • NAID: 130007965969
  • 査読あり
• [雑誌論文] Rearrangements of Water Molecules in Parallel Cascade Selection Molecular Dynamics Enhance Structural Explorations of Proteins (2021)
  • 著者名/発表者名: Morita Rikuri、Shigeta Yasuteru、Harada Ryuhei
  • 雑誌名: Bulletin of the Chemical Society of Japan 巻: 94 号: 1 ページ: 97-105
  • DOI: 10.1246/bcsj.20200174
  • NAID: 130007968803
• [雑誌論文] Split conformation of Chaetomium thermophilum Hsp104 disaggregase (2021)
  • 著者名/発表者名: Inoue Yosuke、Hanazono Yuya、Noi Kentaro、Kawamoto Akihiro、Kimatsuka Masato、Harada Ryuhei、Takeda Kazuki、Kita Ryoichi、Iwamasa Natsuki、Shibata Kyoka、Noguchi Keiichi、Shigeta Yasuteru、Namba Keiichi、Ogura Teru、Miki Kunio、Shinohara Kyosuke、Yohda Masafumi
  • 雑誌名: Structure 巻: － 号: 7 ページ: 1-10
  • DOI: 10.1016/j.str.2021.02.002
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Why are lopinavir and ritonavir effective against the newly emerged Coronavirus 2019?: Atomistic insights into the inhibitory mechanisms (2020)
  • 著者名/発表者名: B. Nutho, P. Mahalapbutr, K. Hengphasatporn, N.C. Pattaranggoon, N. Simanon, Y. Shigeta, S. Hannongbua, T. Rungrotmongkol
  • 雑誌名: Biochemistry 巻: 59 号: 18 ページ: 1769-1779
  • DOI: 10.1021/acs.biochem.0c00160
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Neutron crystallography of copper amine oxidase reveals keto/enolate interconversion of the quinone cofactor and unusual proton sharing (2020)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Murakawa, Kazuo Kurihara, Mitsuo Shoji, Chie Shibazaki, Tomoko Sunami, Taro Tamada, Naomine Yano, Taro Yamada, Katsuhiro Kusaka, Mamoru Suzuki, Yasuteru Shigeta, Ryota Kuroki, Hideyuki Hayashi, Takato Yano, Katsuyuki Tanizawa, Motoyasu Adachi, Toshihide Okajima
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 印刷中 号: 20 ページ: 10818-10824
  • DOI: 10.1073/pnas.1922538117
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Analytical Method Using a Scaled Hypersphere Search for High-Dimensional Metadynamics Simulations (2020)
  • 著者名/発表者名: Mitsuta Yuki、Shigeta Yasuteru
  • 雑誌名: Journal of Chemical Theory and Computation 巻: 16 号: 6 ページ: 3869-3878
  • DOI: 10.1021/acs.jctc.0c00010
  • 査読あり
• [雑誌論文] Tunneling matrix element and tunneling pathways of protein electron transfer calculated with a fragment molecular orbital method (2020)
  • 著者名/発表者名: Kitoh-Nishioka Hirotaka、Shigeta Yasuteru、Ando Koji
  • 雑誌名: The Journal of Chemical Physics 巻: 153 号: 10 ページ: 104104-104104
  • DOI: 10.1063/5.0018423
  • 査読あり
• [雑誌論文] Unique protonation states of aspartate and topaquinone in the active site of copper amine oxidase (2020)
  • 著者名/発表者名: Shoji Mitsuo、Murakawa Takeshi、Boero Mauro、Shigeta Yasuteru、Hayashi Hideyuki、Okajima Toshihide
  • 雑誌名: RSC Advances 巻: 10 号: 63 ページ: 38631-38639
  • DOI: 10.1039/d0ra06365g
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Agonist and Antagonist-Diverted Twisting Motions of a Single TRPV1 Channel (2020)
  • 著者名/発表者名: Fujimura Shoko、Mio Kazuhiro、Kuramochi Masahiro、Sekiguchi Hiroshi、Ikezaki Keigo、Mio Muneyo、Hengphasatporn Kowit、Shigeta Yasuteru、Kubo Tai、Sasaki Yuji C.
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry B 巻: 124 号: 51 ページ: 11617-11624
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.0c08250
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Computational Studies on Interaction between Viral Proteins and Small Molecules/Protein (2022)
  • 著者名/発表者名: Y. Shigeta
  • 学会等名: The 9th International Conference on Chemical and Biological Sciences
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ComputationalStudiesonStructure-FunctionofMetalloenzymes (2021)
  • 著者名/発表者名: Y. Shigeta
  • 学会等名: The Fourth Asian Workshop for Experiment and Theory in Quantum Beam Molecular Science Sakura Science
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Theoretical Studies on Membrane Permeability (2021)
  • 著者名/発表者名: Y. Shigeta
  • 学会等名: 24th International Annual Symposium on Computational Science and Engineering (ANSCSE24)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 計算化学を用いた生体機能解析と創薬への展開 (2021)
  • 著者名/発表者名: 重田育照
  • 学会等名: CAMMフォーラム
  • 招待講演
• [学会発表] 計算化学と実験の協働による金属タンパク質の構造・機能解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 重田育照
  • 学会等名: 第 2 回量子構造生命科学研究所シンポジウム, 第 25 回 FMO 研究会
  • 招待講演
• [学会発表] タンパク質の構造機能-相関に対する計算科学的研究~応用篇~ (2021)
  • 著者名/発表者名: 重田育照
  • 学会等名: 生命 金属科学夏の合宿
  • 招待講演
• [学会発表] 統合的インシリコシミュレーションによる薬物-タンパク質動体解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 重田育照
  • 学会等名: 計算を中心としたバイオ分野の筑波大-KEK 連携セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] 第一原理 QM/MM 計算による電子・プロトン移動解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 重田育照
  • 学会等名: 第 10 回高速 分子動画オンラインセミナー
  • 招待講演
• [学会発表] 計算科学に基づく金属タンパク質動態の理論解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 重田育照
  • 学会等名: 第 21 回日本蛋白質 科学会, シンポジウム New frontier in biometal science
  • 招待講演
• [学会発表] Covid-19関連タンパク質に対する統合的インシリコリポジショニング (2021)
  • 著者名/発表者名: 重田育照
  • 学会等名: 新学術領域「高速分子動画」Web セミナー 「構造生物学・化学・計算科学を融合さ せたウイルス・パンデミックに対する取り組み」
  • 招待講演
• [学会発表] Covid-19関連タンパク質に対する統合的インシリコリポジショニング (2021)
  • 著者名/発表者名: 重田育照
  • 学会等名: HPCIオープンセミナー「スーパーコンピュータと COVID-19」
  • 招待講演
• [学会発表] Covid-19 関連タンパク質に対する統合的インシリコリポジショニング (2021)
  • 著者名/発表者名: 重田育照
  • 学会等名: HPCI オープンセミナー「スーパーコンピュータと COVID-19」
  • 招待講演
• [学会発表] 計算化学による生命機能の解析:医薬分野との協働に向けて (2020)
  • 著者名/発表者名: 重田育照
  • 学会等名: 日本生化学会大会、シンポジウム「学際研究で切り拓く脂質とアミノ酸のメ タボダイナミズム」
  • 招待講演
• [学会発表] Covid-19 関連タンパク質に対する統合的インシリコリポジショニング (2020)
  • 著者名/発表者名: 重田育照
  • 学会等名: 第 9 回 JCAHPC セミナー(第 4 回 OFP 利用活用報告会)「人類と地球を守るスー パーコンピューティング」
  • 招待講演
• [図書] Recent advances of the fragment molecular orbital method (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Tokiwa, S. Nakano, H. Tokiwa, Y. Shigeta
  • 総ページ数: 14
  • 出版者: Springer Japan
  • ISBN: 9789811592348